Dyre- og planteverdenene har inspirert forskere i evigheter, og forskere har lenge vært interessert i hvorfor visse organismer er motstandsdyktige mot påvirkning. Tenk på en hakkespett skalle og nebb, den beskyttende måten en fiskeskall overlapper hverandre, eller den tykke skorpen som holder en fallende frukt i å bryte opp.
Relatert innhold
- Disse slanke, sexy bilene ble alle inspirert av fisk
- Hvordan Biomimicry er inspirerende menneskelig innovasjon
En superstjerne i dette feltet er dronningen conch shell, den typen du kan ha holdt deg for øret for å høre havet. Dronningens konkylie blir slått av bølger og rovdyr, men strukturen i materialet som utgjør skallet er bemerkelsesverdig sterk. Dette skyldes strukturen på skallet, som har korslagte kalsiumkarbonatlag lagt ut i forskjellige orienteringer og atskilt av mykere proteiner, forklarer MIT ingeniørprofessor Markus Buehler, hvis laboratorium designet en menneskeskapt kopi av denne strukturen som kan være brukt i hjelmer og annen beskyttende rustning og publisert resultatene i tidsskriftet Advanced Materials . I både conch og den menneskeskapte versjonen, veksler “kornet” på materialet 90 grader, slik at det ikke er sannsynlig at påvirkning fra en bestemt retning vil komme seg gjennom.
"Ikke bare kan vi analysere disse systemene og modellere dem og prøve å optimalisere dem, men vi kan faktisk lage ekte nye materialer med disse geometrier, " sier Buehler.
Forskere har modellert skallets struktur tidligere, men fremskritt innen 3D-utskrift førte til at Buehlers team var i stand til å reprodusere det. Den avgjørende innovasjonen var en ekstruder (munnstykket som materialet strømmer gjennom) som er i stand til å avgi flere, men beslektede polymerer, en som er veldig stiv og en som er mer fleksibel, for å gjenskape kalsiumkarbonat- og proteinlagene i skallet. Fordi polymerene er like, kan de bindes sammen uten lim, noe som gjør dem mindre sannsynlig å gå i stykker. I tester - som ble utført ved å slippe 5, 6 kilogram stålvekter med forskjellige hastigheter på ark av materialet - viste den kryssede strukturen en 85 prosent økning i energien den kunne absorbere, sammenlignet med det samme materialet uten.
Det kan virke enkelt å utforme ting basert på naturen, men det er mye mer å ta i betraktning enn å bare kopiere et objekt direkte, påpeker Indiana University-Purdue University, Indianapolis, professor i maskiningeniør Andreas Tovar. Tovar, som ikke var tilknyttet MIT-studien, jobber også med bioinspirerte beskyttelsesstrukturer, for eksempel en bildesign basert på en vanndråpe og beskyttet av en struktur som ligner et ribbein.
Den molekylære strukturen til conch-skallet kan en dag bli brukt til å lage sterkere hjelmer eller rustninger. (Wikimedia Commons) "Det er to måter å gjøre bioinspirert design på, " sier han. ”Den ene er gjennom observasjonen av strukturen i naturen og deretter prøve å etterligne den strukturen. Den andre tilnærmingen er ved å etterligne prosessen som naturen gjør for å skape en struktur. ”For eksempel utviklet Tovar en algoritme for å etterligne de cellulære prosessene som bygger menneskelige bein, et eksempel på den andre tilnærmingen. Buehler, derimot, startet med det større materialet, eller organnivået struktur, av dronningen conch shell og spurte hvordan å gjenskape den strukturen med menneskeskapte materialer.
Både Tovars og Buehlers arbeid innebærer å skille hvilke deler av strukturen som er instrumentell for dens funksjon, og hva er rester av forskjellige evolusjonære press. I motsetning til en levende organisme, trenger en bio-inspirert hjelm, for eksempel, ikke å inkludere biologiske funksjoner som åndedrett og vekst.
"Et sentralt stykke er at [Buehlers laboratorium] gjenskaper den hierarkiske kompleksiteten som finnes i naturen, sier Tovar. "De er i stand til å produsere ved hjelp av tilsetningsfremstillingsmetoder. De tester, og de ser denne imponerende økningen i mekanisk ytelse. "
Selv om Buehler mottok midler fra Department of Defense, som er interessert i hjelmer og kroppsrustning for soldater, sier han at det er like aktuelt, og muligens mer nyttig, i idretter, som sykkel- eller fotballhjelmer. "De kan optimaliseres, de kan overskride de nåværende designkravene, som er ganske enkle - du har litt skum, du har et hardt skall, og det er ganske mye det, " sier han.
Det er ingen hjelm ennå, sier Buehler - de har bygget materialet, og planlegger å bruke det på hjelmer neste. Og designen er viktig, også utover materialet. "Selv om vi ikke bruker de stive og myke materialene vi brukte her, de vi har 3D-trykt, hvis du gjør det samme med andre materialer - kan du bruke stål og betong, eller andre typer polymerer, kanskje keramikk - ved å gjøre det samme, som betyr de samme strukturene, kan du faktisk forbedre selv deres egenskaper, utover hva de kan gjøre på egenhånd, sier han.
